沖擊地壓巷道圍巖穩定性分析及控制技術研究

王輝凱

(潞安環保能源開發股份有限公司 王莊煤礦， 山西 長治市 046031)

隨著煤礦開采層度與深度的不斷增加，沖擊地壓的發生越來越頻繁，危害性也愈發嚴重[1]。沖擊地壓又名巖爆，是一種復雜的礦山動力現象。沖擊地壓發生時，能在很短的時間內將大范圍的巷道或工作面的煤巖拋出，具有突發性，危害大的特點。潞安集團王莊回風大巷2掘進200 m左右時，巷道沿頂板較高幫巷肩出現一條長約80 m左右噴層開裂線，在距掘進頭10～15 m左右位置能聽到清脆的頂板脆斷聲，并出現片幫現象，頂板下沉量為120～140 mm。頂板2 m范圍內圍巖出現多處破碎和離層現象。回風大巷在掘進過程中出現頻繁的頂板脆斷聲、片幫、離層、頂板下沉量大等動力現象，沖擊地壓給安全生產帶來很大隱患。

1 生產地質條件概況

1.1 地質條件概況

王莊礦回風大巷2設計總長度(直線距離)1450.601 m，屬王莊煤礦水平延深工程，服務于整個+540水平延伸工程。地應力測試顯示該區域最大水平主應力為13.55 MPa，最小水平主應力為7.47 MPa，垂直主應力為8.18 MPa。巷道為斜梯形斷面，埋深450 m，沿3#煤煤層頂板掘進，掘進斷面積為20.93 m2，凈斷面積為18.50 m2，噴砼厚度150 mm，支護形式為全斷面錨網噴+錨索。巷道頂板為約0.1～0.3 m厚的偽頂，往上依次為2.1 m厚灰白色泥巖，3.5 m厚灰色堅硬砂巖、4.0 m厚泥巖、2.5 m厚細粒砂巖。掘進中遇到多個小斷層，斷層高度為9～12 m，頂板有0.5 m3/h的淋水。

1.2 原巷道支護方式

如圖1所示，王莊回風大巷2為斜梯形斷面，荒寬5.3 m，凈寬5 m，采用錨網支護。主要支護參數為：錨桿采用Φ22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，間排距800 mm×800 mm，錨桿預緊力不小于350 kN，錨固力不小于80 kN；錨索采用Φ18.96 mm×8300 mm鋼絞線，垂直頂板打設，間排距為2500 mm×1600 mm，預應力不小于200 kN。掘進方式為炮掘，每循環進尺2.0 m，最大空頂距2.4 m。

圖1 原巷道支護布置

2 巷道圍巖變形特征及成因分析

煤礦開采過程中，沖擊地壓是由于巷道或工作面煤巖在聚集大量彈性能的條件下，受掘進、工作面開采或支護不合理等因素影響導致煤巖突然大量拋出。沖擊地壓常具有突發性，并常伴隨有巨大聲響、巖體震動、沖擊波等動力效應。根據沖擊地壓的顯現強度可分為4類[2￣3]：彈射,礦震,弱沖擊,強沖擊。王莊礦回風大巷2掘進中有片幫現象并伴有巨大聲響，按顯現強度屬礦震現象。沖擊地壓破壞性強，必須采取一定措施控制沖擊地壓傾向巷道圍巖穩定。因此，分析沖擊地壓巷道的圍巖變形特征及成因，提出有針對性的圍巖控制技術是十分必要的。

2.1 圍巖變形特征

(1) 巷道累積變形量大，變形速度快。王莊回風大巷2掘巷后，圍巖受力狀態改變引起的集中應力與構造應力疊加，使得局部應力高度集中，巷道周邊煤巖體產生較大的塑性破壞，巷道短時間內變形量急劇增大。

(2) 巷道頂板較深部出現離層與巖層脆斷現象。王莊回風大巷2受采動應力與構造應力疊加，應力高度集中情況下，掘進步距大，懸頂面積大，引起頂板較深部圍巖出現離層與巖層脆斷現象。圍巖離層與脆斷產生的沖擊波造成巷道淺部圍巖的急劇破壞，引起構造帶不連續結構面塊體失穩。

(3) 巷道斷面內變形不均勻性。受斷面形狀、地應力方向、構造帶分布、圍巖特性等因素影響，王莊回風大巷2巷道肩角噴層先發生破壞，出現噴層剝落；受垂直應力影響，巷幫出現片幫現象；受水平應力影響，巷道出現底臌量。

2.2 沖擊地壓破壞巷道機理

國內外許多專家、學者對沖擊地壓破壞巷道的機理進行了大量研究，楊淑清[4]教授在“隧洞巖爆機制物理模型試驗研究”一文中指出沖擊地壓造成圍巖劈裂破壞和剪切破壞的兩種機制。劈裂破壞屬于脆性斷裂，而剪破壞是巖石應力達到峰值強度狀態的破壞；前者形成的破裂面與巷道平行，后者相交。王青海教授等按沖擊地壓形成的力學表現形式，將沖擊地壓分為劈裂破壞型、剪切破壞型和彎折內鼓型三種形式[5￣6]。郭然、于潤滄[7]在分析巖石破壞表現形式的基礎上提出，沖擊地壓破壞巷道的機理可以歸納為兩種：巖體破裂導致巖體體積膨脹破壞機理；地震能傳播導致巖塊彈射破壞機理。

距頂板0.9 m王莊回風大巷2受采動應力與構造應力疊加應力集中，巷道掘進懸頂面積大形成懸梁結構頂板巖層聚集大量彈性能，使得巷道淺部圍巖應力高于巖體極限強度，巖體內產生裂隙擴容膨脹，導致淺部圍巖發生破壞。淺部圍巖破壞釋放一小部分應力與彈性能，應力向巷道圍巖深部轉移，引起構造帶不連續塊體彈射和深部圍巖離層或斷裂，對淺部圍巖造成更大程度的破壞。

2.3 沖擊地壓成因分析

影響沖擊地壓的因素有很多種，根據王莊回風大巷2的地質力學環境分析，其沖擊地壓的主要原因有如下幾個方面。

(1) 受構造應力影響。圍巖的結構、性質以及地應力等是影響沖擊地壓的主要因素[8]，復雜的地質構造帶，如斷層、褶曲、節理等，容易產生較高的構造應力。回風大巷在掘進中遇到多個小斷層，斷層落差在9～12 m之間，斷層引起巷道局部圍巖應力較高，堅硬頂板聚集了大量彈性應變能，為沖擊地壓的發生提供了必要條件。

(2) 頂板圍巖特性。回風大巷頂板為約0.1～0.3 m厚的偽頂，向上依次為2.1 m厚灰白色泥巖，單軸抗壓強度139.74 MPa，彈性模量16.44 GPa；3.5 m厚灰色堅硬砂巖，單軸抗壓強度172.60 MPa，彈性模量17.03 GPa。圍巖完整性好，頂板堅硬，節理不發育，能夠聚集較大的彈性應變能。

(3) 掘進進尺過大。回風大巷2每循環進尺2.0 m，最大空頂距達到2.4 m。巷道掘進進尺過大，增加了頂板懸露范圍和時間，形成懸臂梁結構，如不能及時支護或采取其他有效措施控制巖梁，增加了巖粱斷裂的可能形。巖粱斷裂將會在巖層上形成新的應力高峰，造成沖擊地壓的發生。

(4) 頂板支護不合理。頂板錨索的主要作用是懸吊錨桿與圍巖形成的承載拱與深部穩定圍巖結合形成較大范圍的承載結構，達到錨桿、錨索與圍巖共同承載的目的；其次，錨索能提高錨桿對圍巖的擠壓加固作用。防止因巷道深部圍巖離層或彎曲變形而誘發淺部圍巖發生沖擊地壓。原巷道支護錨索垂直頂板布置不利于控制頂板穩定，錨索不能充分發揮懸吊作用，是不合理的。

綜上所述，斷層破碎帶能夠釋放一部分應力，而仍有很大一部分應力疊加的深部巖層中，形成應力集中區。堅硬頂板與較高的構造應力，使巷道圍巖集聚了大量彈性應變能。巷道進尺較大開挖后，圍巖懸露面積大，而頂底板強度高、變形小，兩幫產生較大的支撐壓力且圍巖聚集的彈性能不易釋放，容易發生沖擊地壓。巷道左肩錨桿角度布置不合理，支護上出現了空區，給應力釋放提供了薄弱點，造成噴層大面積開裂。

3 沖擊地壓巷道圍巖控制技術

通過對王莊回風大巷2沖擊地壓現象成因分析可知，由于采掘、構造等因素引起的應力高度集中使巷道圍巖集聚了大量的彈性能，當圍巖應力高于圍巖的極限強度時，圍巖發生破壞，淺部圍巖表現為圍巖破碎，深部圍巖表現為離層或斷裂。針對沖擊地壓巷道的變形破環特征與破壞機理，主要采取以下具體控制技術。

(1) 減小進尺，將循環進尺由2.0 m調整到1.0 m，降低放炮震動對圍巖影響，減小巷道懸頂面積，降低懸梁結構對圍巖脆斷影響，防止沖擊地壓發生；

(2) 及時支護，消除空頂作業危險，改善圍巖受力狀態，增加巖粱支點，降低巖粱所受的彎應力，防止脆性頂板發生斷裂。掘進后及時進行噴漿封閉圍巖，及時進行錨桿、錨索支護；

(3) 控制斷面成形，采用光面爆破，嚴格控制裝藥量，使巷道斷面盡可能規則，防止局部應力集中，引起片幫；

(4) 調整關鍵部位錨桿角度，錨索豎直布置，充分發揮其懸吊作用。并對頂板變形較大區域進行錨索補強;

(5) 錨桿間排距調整為700 mm×700 mm，頂板左肩錨桿角度調整為45°，增加錨桿、錨索支護密度，防止頂板脆斷。錨索豎直布置，使錨桿形成的壓縮拱與深部圍巖實現共同承載。在巷幫布置錨索，控制高幫，防止片幫事故發生，如圖2所示。

4 結 論

(1) 巷道左肩由于錨桿支護設計的不合理，形成支護空區，成為應力釋放點，導致噴層開裂嚴重。堅硬頂板巷道空頂面積過大，加上錨桿支護不及時，形成懸梁結構，引起頂板脆斷。

(2) 回風大巷2在地應力不大的情況下，發生沖擊地壓現象主要受斷層構造應力與掘進擾動應力疊加效應以及支護強度偏弱的影響。

(3) 降低圍巖應力集中程度，提高巷道抗沖能力。根據沖擊地壓破壞巷道機理，提出縮短進尺、及時支護、控制成形、調整錨桿、錨索支護布置等沖擊地壓巷道控制技術。

圖2 巷道斷面支護布置

(4) 現場實踐表明，通過采取有效的措施，王莊回風大巷2微震現象得到了控制，沒有再發生沖擊地壓現象，并將頂板下沉量控制在60～80 mm，成功解決了王莊巖爆巷道的施工難題。

參考文獻：

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[4]楊淑清．隧洞巖爆機制物理模型試驗研究[J]．武漢水力電力大學學報，1993，2(26)：160￣166．

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[7]郭 然，于潤滄．有巖爆危險巷道的支護設計[J]．中國礦業，2002，11(3)：23￣26．

[8]謝文清.地下工程施工中巖爆的形成機理及控制措施[J]．現代隧道技術，2008,45(4):42￣48．